3.1 Предпосылки для активационного опробования меди в колчеданных рудах.

Известно, что все нечетные элементы таблицы Мен­делеева состоят не более чем из двух изотопов, поэтому их определение в сложных средах с помощью искусствен­ной радиоактивности, как правило, оказывается более простой задачей, чем определение четных элементов, зачастую состоящих из пяти-девяти стабильных изотопов.

Полиизотопность уменьшает выходы ядерных реакций и увеличивает количество искусственно-радиоактивных продуктов, которые по своим свойствам могут оказаться сходными с продуктами других элементов. В связи с этим усложняется детектирование наведенного эффекта изо­топа-индикатора. Последнее обстоятельство, однако, при­суще не только четным элементам: значительное много­образие ядерных реакций на нейтронах и т. д. — приводит к образованию нескольких искусственно-радиоактивных продуктов из одного мате­ринского изотопа. Примером могут служить искусственно-радиоактивные γ-излучатели Со⁸⁰, Со⁶¹, Со⁶², Ni⁶⁶, Сu⁶², Сu⁶⁴, Сu⁶⁶, образующаяся в результате взаимодействия быстрых и тепловых нейтронов с ядрами стабильных изотопов меди Сu⁶³ (68,94%) и Сu⁶⁵ (31,06%). Каждый из этих продуктов имеет свои специфические особенности, анализ которых .может дать ответ на вопрос о пригодности того или иного изотопа в качестве индикатора. При выборе индикатора, прежде всего следует иметь в виду необходи­мость детектирования его наведенной активности из суммарного эффекта, Обусловленного одновременным ак­тивированием других изотопов.

Покажем, при каких условиях возможно детектиро­вание группы среднеживущих γ -излучателей, в число которых входит изотоп меди Си⁶⁴. Среди долгоживущих изотопов наименьшим периодом и наибольшей активационной константой обладает изо­топ мышьяка Аз⁷⁵. Периоды полураспада остальных про­дуктов, их типичные содержания и активационные харак­теристики таковы, что эффект, связанный с Си⁶⁴, при реальных условиях активирования оказывается много большим в сравнении с суммой эффектов от других изо­топов долгоживущей группы. Поэтому будем считать, что при условии сведения к допустимым пределам эф­фекта Аз⁷⁵, влиянием продуктов долгоживущей группы можно пренебречь.

Необходимую экспозицию облу­чения t, которая обеспечит заданное превалирование по­лезного эффекта над «долгоживущей помехой», можно по­добрать лишь при условии соблюдения неравенства :

Применительно к изотопам Си⁶⁴ и Аз⁷⁵ оказывается, что неравенство соблюдается в тех случаях, когда

В частности, для δ ₀ = 0.1 необходимое время акти­вирования можно подобрать только для таких руд, где содержание меди на порядок выше содержания мышьяка. Такое соотношение выдерживается в большинстве слу­чаев.

Получим для δ ₀ = 0.1 t≈16ч. Полученное значение экспозиции активирова­ния нужно понимать в том смысле, что при облучении медноколчеданной мишени в течение времени, больше 16ч. влияние мышьяка может превысить допустимый предел (10%). Конечно, при уменьшении времени акти­вирования доля эффекта, связанная с Аs⁷⁵, будет умень­шаться, поскольку Аs⁷⁵ .имеет больший период, чем Сu⁶⁴. Таким образом, при облучении медно колчеданной среды в течение времени t < 16 ч полученный эффект можно считать практически свободным от влияния долгоживущих продуктов.

Рис 1.

Среди группы короткоживущих изотопов наибольшими периодом и активационной константой обладает изотоп Мn⁵⁶. Опыт подтверждает, что именно этот продукт является главной помехой при детектиро­вании группы среднеживуждх излучателей. Изотоп Мn⁵⁶ образуется в результате ядерных реакций (п,у) и (п, р) соответственно за счет стабильных изотопов Мn⁵⁶ и Fе⁵⁶. Вследствие незначительных содержаний марганца в кол­чеданных рудах (обычно это тысячные или первые сотые доли процента) выход реакции Мn⁵⁵ (п,у) Мn⁵⁶ невелик. По крайней мере, насыщенные активности меди и марганца при их средних концентрациях в рудах разнятся между собою примерно в 40 раз. Наблюдающийся на опыте довольно высокий эффект, связанный с изото­пом Мn⁵⁶, обязан главным, образом реакции Fе⁵⁶ (n, р) Мn⁵⁶, идущей на быстрых нейтронах. Это обстоятельство подтверждается уменьшением активности Мn⁵⁶ при увели­чении степени влагонасыщенности колчеданной руды. Значительный период Мn⁵⁶ сильно затягивает перерыв между снятием с облучения и моментом измере­ния. В частности, применительно к содержаниям меди 0,5—10% и типичной активности Мn⁵⁶ (определенной на опыте) значение паузы, сводящей долю эффекта Мn⁵⁶ в сравнении с активностью Сu⁶⁴ к 10%, составляет соответственно ~16 и ~6 ч. Для средних значений содержания меди в рудах пауза составляет

примерно 8—10 ч. При таком времени «остывания» сум­марный эффект, связанный с группой короткоживущих продуктов, оказывается пренебрежимо малым. Конечно, в тех случаях, когда эффект связан только с Сu⁶⁴ и Мn⁵⁶, их парциальные активности могут быть найдены простым расчетом по кривой измерения эффекта в течение неболь­шого промежутка времени (1-2 ч). Однако наличие в среднеживущей группе излучателей помимо изотопа Сu⁶⁴ других продуктов усложняет такую возможность.

Таким образом, соответствующим подбором экспозиции облучения и паузы можно свести наведенный эффект, связанный с долгоживущими и короткоживущими про­дуктами, к допустимым пределам. Поэтому на результатах измерений будут сказываться только среднеживущие про­дукты. Применительно к медноколчеданным рудам среднеживущая группа изотопов представлена Nа²⁴, К⁴², Сu⁶⁴ и Zn⁶⁹. Периоды полураспада этих изотопов настолько близки между собой, что их разделение временными характеристиками оказывается невозможным.

Сравнивая спектральные составы γ-излучения отмеченных продуктов, можно заметить, что Сu⁶⁴ и Zn⁶⁹ значи­тельно отличаются от Na²⁴ и К.⁴² по энергиям фотонов: первые два изотопа «мягче» последних. Изотопы Сu⁶⁴ и Zn⁶⁹ между собой по энергиям практически не разделяются (0,51 и 0,44 Мэв). Мало отличаются по энергиям и про­дукты К⁴² и Nа²⁴ (1,51 и 1,37; 2,75 Мэв). Отмеченное по­зволяет разделить наведенные эффекты, связанные со ще­лочами, от активности, обусловленной суммой Си⁶⁴ + Zn⁶⁹, путем измерений с экранированием или cспектрометрические.

Не касаясь последнего вопроса, отметим, что учет спектрального состава путем измерений экра­нированным и неэкранированным счетчиками, реализован на основе серийной каротажной аппаратуры на газораз­рядных счетчиках.

Имеющийся опыт показывает, что раз­дельное определение суммы Сu⁶⁴ + Zn⁶⁹ и Na²⁴ + К⁴² экрани­рованием оказывается достаточно надежным. Добавим, что на практике такие измерения необходимо выполнять лишь при анализе вкрапленных руд, так как в сплошных колчеданных рудах, щелочи практически отсутствуют.

Следовательно, необходимым подбором экспозиции облучения и паузы в сочетании с экранированием можно освободиться от подавляющего числа искусственно-радио­активных продуктов, образующихся при активировании медноколчеданной мишени, что приводит к детектирова­нию эффекта связанного практически лишь с изотопами Сu⁶⁴ и Zn⁶⁹. Поскольку раздельное определение этих изотопов невозможно, представляется необходимым срав­нить их наведенные эффекты при заданных соотношениях содержаний меди и цинка в руде.

Найдем отношение насыщенных активностей Сu⁶⁴ и Zn⁶⁹ в момент, снятия с облучения .При расчете будем полагать одинаковыми спектральные чувствительности счетчика для фотонов энергий 0,44 и 0,51 Мэв и их средние пробеги в изучаемой среде. В частности, при одинаковом содержании меди и цинка в руде, наведенный эффект, связанный с изотопом меди Си⁶⁴, будет практически на два порядка выше эффекта, связанного с Zn⁶⁹.

Обычно руды с содержанием цинка 8—10% считают довольно богатыми. В этом случае наведенный эффект, связанный с Zn⁶⁹, будет соизмерим с активностью Сu⁶⁴ при содержании меди ~0,08-0,1%. Следовательно, в цинково-медистых колчеданах содержание меди по изо­топу Сu⁶⁴ может быть завышено примерно на первые десятые доли процента. Учитывая соотношение насыщен­ных активностей Сu⁶⁴ и Zn⁶⁹, можно полагать, что при

соблюдении неравенства Zn⁶⁹/Cu⁶⁴< 10 относительная по­грешность в определении меди будет менее 10%. В типич­ных медноколчеданных рудах, где концентрации меди и цинка соизмеримы между собой, наведенным эффектом от цинка можно практически пренебречь .Поэтому сле­дует считать, что наведенную активность, связанную с изотопом меди Сu⁶⁴, можно детектировать из суммар­ного эффекта, возникающего при облучении медноколчеданной среды типичного химизма.

Таковы предпосылки активационного опробования на медь медноколчеданных руд. Важно отметить, что детек­тирование полезного эффекта и его промер могут быть осуществлены при любой геометрии мишени. Это озна­чает, в частности, возможность определения концен­трации меди в рудных под сечениях разведочных сква­жин, что имеет большое значение при недостаточном выходе или отсутствии керна по скважине.